新型同步電動機勵磁起動回路的設計Design of New Type Excitation Starting Circuit of Synchronous Motor

祝　強

新型同步電動機勵磁起動回路的設計
Design of New Type Excitation Starting Circuit of Synchronous Motor

祝強

本文通過總結南京華能電廠同步電動機的技術改造，提出一種新的電動機起動回路的設計。這對于建材行業(yè)中水泥工廠或礦山使用的球磨機或破碎機等同步電動機起動回路的技術改造，也是一個新穎的設計思路，是有效解決同步電動機起動問題的新途徑。

微機勵磁調節(jié)器；ZnO壓敏電阻；滑差投勵

1　原設備的狀況

南京華能電廠原有四臺磨煤機（其拖動電機為2MW6kV高壓同步電動機），由于其勵磁控制系統(tǒng)是早些年的俄羅斯模擬產(chǎn)品，因此許多環(huán)節(jié)（尤其是起動回路）存在安全隱患，該同步電動機勵磁系統(tǒng)已對整個電廠的安全生產(chǎn)帶來影響。南京華能電廠原起動回路如圖1所示。

原起動過程如下：在起動時接入一個線性電阻Rqd，用一帶常開、常閉聯(lián)動觸頭的機械開關M切換，先不合M開關，其常開觸頭把勵磁電源斷開，其常閉觸頭閉合把起動電阻并接于勵磁繞組的兩端。只要起動電阻的值足夠小，就能把起動時的滑差過電壓限制在安全允許的范圍內(nèi)。到一定的延時（可整定的投勵時間）后，勵磁控制電路操作開關，其常閉接點斷開切除起動電阻，同時常開接點閉合投入勵磁電源，電動機隨即被拉入同步運行。

圖1　改造前電動機主回路圖

從電機學中我們知道同步電動機的起動一般采用“異步法”，即開機時轉子先不給勵磁，定子直接并聯(lián)高壓（如6kV）母線，由于轉子上裝有短路的“阻尼繞組”，類似異步電機的“鼠籠”，定子電流產(chǎn)生的旋轉磁場會在其中產(chǎn)生強烈的渦流，從而產(chǎn)生起動轉距，其起動過程類似異步電動機。當起動升速到達亞同步轉速時，再投入勵磁，這時同步轉距起作用把轉子拉入同步。在整個異步起動過程中，轉子與定子電流產(chǎn)生的旋轉磁場不同步，嵌裝在轉子槽內(nèi)的勵磁繞組切割磁力線，會在其中產(chǎn)生感應電勢。由于勵磁繞組串聯(lián)匝數(shù)較多，總電勢會很高（滑差過電壓），如不采取措施，勢必會擊穿轉子絕緣和電路元件。

此起動方式原理上沒有大的問題，但實際運行中有以下缺陷：

（1）開關頻繁動作使觸頭燒損，機械結構復雜，維護麻煩。

（2）由于受模擬回路的元件參數(shù)影響，投勵時間存在投勵時刻不準確的情況，對轉子起動存在沖擊。

為此用戶強烈要求：

（1）取消模擬勵磁調節(jié)器及機械開關，改用微機勵磁調節(jié)器及無觸頭的方案解決同步電動機的起動問題。

（2）投勵的方式改為判滑差投勵。

（3）安裝過電壓保護裝置。

圖2　ZnO伏安特性圖

圖3　ZnO直接跨接于轉子側方案原理圖

圖4　ZnO直接跨接于轉子側后試驗錄波圖

2　方案的確定及實施

2.1針對原有設備第一個缺陷的改進

我們將控制器改為微機式（采用80C296），由于本文主要對起動及主回路做研究，調節(jié)器的內(nèi)容不再詳述。對于起動回路用氧化鋅電阻RV代替線性電阻，則可以取消M開關，實現(xiàn)無觸點起動的方案。在介紹改進的主回路前，先介紹一下ZnO的伏安特性（如圖2）。

其兩端電壓在壓敏電壓U10mA以下時呈截止態(tài)，阻值為MΩ級；電壓＞U10mA，立即轉為導通態(tài)，阻值為Ω級。正常運行時，工作電壓的峰值Ug＜0.6U10mA，此時的漏電流Ig為微安級，所以RV可直接跨接于勵磁繞組兩端而不需要M開關的常閉觸頭。起動時RV迅速導通，把滑差過電壓限制在殘壓Uc以下，一般殘壓Uc=3Ug。正確選擇RV的參數(shù)可確保轉子絕緣和勵磁回路元件的安全。在華能電廠的1號同步電動機上我們采取了該方案，即將壓敏電壓直接跨接于轉子兩端，勵磁壓敏電阻吸收轉子在起動過程中的過電壓及能量，同時投勵方式采用時間投勵，時間參數(shù)參考原來調節(jié)器的設定值，其主回路如圖3所示。同時根據(jù)機組的參數(shù)：額定勵磁電壓=150V、額定勵磁電流=200A、勵磁變壓器二次電壓=230V，選擇的壓敏電阻的參數(shù)為：U10mA=600V、容量為0.45MJ。

1.設施改善建設。完善健身休閑基礎設施網(wǎng)絡、盤活用好現(xiàn)有場館資源、加強特色健身休閑設施建設。認真貫徹落實《實施意見》中的指導意見，到2025年，形成城市社區(qū)10分鐘健身圈。首先，充分利用現(xiàn)有健身休閑設施，重視日常維護工作，打造一批便民、利民的社區(qū)健身休閑設施；其次，推進體育場館、汽車營地、特色體育小鎮(zhèn)、連片美麗鄉(xiāng)村聯(lián)合打造成體育綜合體；再次，鼓勵和引導運動樂園、冰雪樂園、山地戶外營地、汽車自駕車營地、徒步騎行服務站、航空飛行營地、船艇碼頭等特色健身休閑設施建設；最后，增加全區(qū)學校、公共場館對外開放時間和提高場館資源利用率，滿足居民基本休閑需求。

華能電廠的1號同步電動機在采取了該方案后，經(jīng)過現(xiàn)場試驗，錄波如圖4。

試驗結果表明，用ZnO壓敏電阻替代線性電阻作為同步電機的起動電阻可行，可以取消機械開關，減少維護量，增加運行的可靠性，縮短起動時間。選配起動用的ZnO壓敏電阻時，在滿足荷電率S＜0.6，盡量躲過異步運行的滑差電壓，以及制造組合方便的前提下，應選取盡量低的殘壓，這樣可以降低ZnO的能容量，并有利于保護電機轉子回路的絕緣。雖然采用了ZnO壓敏電阻起動有一系列的優(yōu)點，但ZnO的價格比線性電阻高得多，所以從成本考慮，該方法并不是最佳，在后三臺的改造中我們采用了線性電阻和壓敏電阻相配合的方案。

線性電阻的優(yōu)點是價格低、功率大，可以吸收大的容量，缺點是不能直接跨接在轉子兩端，而壓敏電阻正好相反。如兩者聯(lián)合使用，可以互補缺點，達到珠聯(lián)璧合的完美效果。具體的原理電路如圖5所示。圖中R為線性起動電阻，其阻值為Ω級，功率大，經(jīng)過正反向可控硅V1和V2跨接在轉子勵磁繞組L兩端。正常運行時V1和V2都不導通，故R被隔斷。起動時，滑差過電壓峰值一達到過電壓觸發(fā)器CF1和CF2的動作電壓（該工程整定值為600V），觸發(fā)器立即動作，發(fā)出觸發(fā)脈沖使可控硅V1和V2導通，把電阻R并聯(lián)于轉子兩端。由于滑差過電壓是交變的，電壓反向后原先導通的可控硅自行關閉。V1和V2輪流導通和關斷，待轉速上升到接近同步轉速時，由于滑差減小，滑差過電壓也減低了，當其峰值低于觸發(fā)器CF1和CF2的動作電壓時，V1和V2沒有觸發(fā)信號而相繼關斷，R又恢復隔斷狀態(tài)。這時控制器立即開通勵磁電源投勵，轉子很快拉入同步。

正常運行中如發(fā)生正向過電壓使CF1動作，V1導通接入R吸收過電壓。但過電壓消失后由于有正向勵磁電壓產(chǎn)生的續(xù)流大于V1的維持電流，V1將不能自行關斷。這時控制器會使勵磁電源U發(fā)生短時逆變，勵磁電壓短時變負而使V1關斷。

2.2針對原有設備第二個缺陷的改進

圖5　ZnO與線性電阻配合方案圖

如果CF故障或動作遲緩，不能及時發(fā)出脈沖，V1/V2不能及時導通，則起動時相當轉子開路，快速上升的極高的滑差過電壓將會擊穿V1/ V2、轉子絕緣或整流橋元件。所以在轉子兩端又并聯(lián)了一組ZnO壓敏電阻，其標稱電壓650V比起動回路中的可控硅動作值略高，給勵磁繞組安裝后備過電壓保護裝置，也解決了原有設備的第三個缺陷。其動作電壓的選擇應遵從如下原則：

（1）必須大于的動作值，使其正常時不導通吸能。

（2）K倍U10mA應小于V1及V2、轉子絕緣及整流元件的耐壓并留相當?shù)陌踩Ａ?，以保證上述元件、設備的安全。

（3）U10mA必須大于Ug/0.6，以保證其荷電率＜0.6。

壓敏電阻的容量選的大則安全裕度大，但從經(jīng)濟角度出發(fā)又不能過大，一般至少應保證有兩個并聯(lián)支路。每個支路串聯(lián)一只保護熔斷器FU，此熔斷器附加帶微動開關的“熔斷指示器”。如果CF1或CF2損壞，不導通，則起動時感生電流全部通過RV，可能使超限而熱擊穿，造成勵磁短路。這時立即熔斷，熔斷指示器的常開接點閉合，通過控制器動作于定子開關跳閘，同時轉子逆變滅磁，以防事故擴大。在后三臺同步電動機的主回路中我門選擇的壓敏電阻的容量及參數(shù)為：U10mA=650V，容量為0.06MJ。

由于有兩路或兩路以上的并聯(lián)工作，各支路不可能同時擊穿。當某一支路擊穿熔斷時，仍有其余的完好支路在工作，可確保轉子回路不受過電壓的損壞。

2.3針對原有設備第三個缺陷的改進

我們在微機勵磁調節(jié)器中增加了滑差投勵，且將滑差投勵作為主要的投勵方式。在電動機起動的過程中，勵磁繞組兩端呈現(xiàn)正負交變的感應電壓，其頻率為滑差頻率即定子電流或磁場的頻率與轉子轉速頻率的差。我們可以利用測取感應電壓的周期（頻率），如我們要求在滑差頻率為5%時投勵，則要求當測量的感應電壓的周期為0.2s時投勵。同時將計時投勵作為后備投勵方式，經(jīng)過現(xiàn)場試驗及機組的參數(shù)確認，如果用滑差投勵方式一般機組定子開關合閘4s后滑差頻率降到0.5Hz，所以我們將時間投勵參數(shù)設為4.5s，作為后備方式。由于使用的80296C單片機的主頻為10MHz，所以定時精確。在明確電機的起動參數(shù)及特性后設定的延時時間，即電動機定子側開關合閘后，經(jīng)過一定的延時時間再投勵磁。

2.4改進起動回路后的工業(yè)試驗

為了驗證以上方案的實用效果，我們在南京華能電廠的2號磨煤機上做了工業(yè)試驗錄波，試驗的電路同圖5。

3　小結

采用線性電阻和壓敏電阻配合的方案經(jīng)濟、可靠，發(fā)揮了線性電阻和壓敏電阻各自的優(yōu)點，達到完美組合。該方案已在南京華能電廠、牡丹江第二熱電廠等單位投入使用，運行情況良好。這項技術在建材行業(yè)水泥工廠的大容量同步電動機拖動的球磨機或破碎機上具有一定的推廣價值。

TM 301.2

A

1001-6171（2015）05-0054-03

通訊地址：中材節(jié)能股份有限公司，天津300400；2014-12-29；編輯：呂光